쿨롱의 법칙

기사에서 전하 단 전기 전하의 종류 같은 전하를 띤 물체는 서로 밀어내고, 다른 전하를 띤 물체는 서로 끌어당긴다는 것이 전기력의 원리입니다. 즉, 양전하를 띤 물체는 음전하를 띤 물체를 끌어당기고, 양전하를 띤 물체는 양전하를 띤 물체를 밀어내며, 음전하를 띤 물체는 음전하를 띤 물체를 밀어냅니다. 이러한 현상은 양전하를 띤 물체와 음전하를 띤 물체 사이에 전기력이 작용한다는 것을 보여줍니다. 그렇다면 전기력의 크기에 영향을 미치는 요인은 무엇일까요?

프랑스 물리학자 샤를 쿨롱(1736~1806)은 1780년대에 전하를 띤 물체 사이의 전기력 크기에 영향을 미치는 요인을 조사하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 쿨롱이 사용한 장치는 캐번디시가 중력 상수를 연구할 때 사용했던 것과 유사한 비틀림 저울이었습니다. 쿨롱은 전기력을 연구하기 위해 두 개의 대전된 금속 공을 사용했고, 캐번디시는 중력을 연구하기 위해 질량을 가진 두 개의 비전기적인 공을 사용했습니다.

토크 스케일의 작동 원리  

 
토크 스케일의 작동 원리는 주제와 관련이 있습니다. 토크 또는 힘의 모멘트 장에서 회전 역학.
비틀림 저울 내부는 진공 상태로 유지하여 고체 공의 전하가 공기 중으로 이동하는 것을 방지합니다. 고체 공의 전하량은 다음 방법으로 측정합니다. 먼저, 고체 공 A에 전도 또는 마찰을 통해 전기를 대전시킵니다. 전기가 대전된 고체 공 A를 아직 중성인 고체 공 B에 전기 도체를 이용하여 연결합니다. 이때 고체 공 A의 전하량이 고체 공 B의 전하량과 균등하게 나뉘도록 합니다. 만약 고체 공 A의 전하량이 1/2이면 고체 공 B의 전하량도 1/2입니다. 다음으로, 고체 공 B와 고체 공 C를 전기 도체를 이용하여 연결합니다. 이때 고체 공 B의 전하량이 고체 공 C의 전하량과 균등하게 나뉘도록 합니다. 만약 고체 공 B의 전하량이 1/4이면 고체 공 C의 전하량도 1/4입니다. 이와 같은 방법으로 고체 공 A와 B의 전하량 및 전하의 종류를 구할 수 있습니다.

고체 구체 1과 고체 구체 2는 전기적으로 대전되어 있어, 두 구체의 전하량이 같으면 서로 반발하고, 전하량이 다르면 서로 인력을 작용합니다. 두 대전된 고체 구체 사이에 인력 또는 반발력이 존재하면 고체 구체 2가 회전합니다. 고체 구체 2의 회전 각도를 측정하여 두 고체 구체에 작용하는 전기력을 구합니다.

전기력에 영향을 미치는 요인

쿨롱은 비틀림 저울을 이용한 실험을 통해 여러 가지 사실을 발견했습니다.
이 실험에서 두 고체 공 사이의 거리는 항상 일정합니다. 첫 번째 고체 공의 전하량이 1이고 두 번째 고체 공의 전하량이 1일 때, 두 고체 공에 작용하는 전기력은 1입니다. 첫 번째 고체 공의 전하량이 2이고 두 번째 고체 공의 전하량이 2일 때, 두 고체 공에 작용하는 전기력은 4입니다. 쿨롱은 두 고체 공에 작용하는 전기력의 크기는 두 고체 공의 전하량의 곱에 비례한다는 결론을 내렸습니다(F ≈ q²).₁ q₂).
이 실험에서 두 고체 공에 있는 전하량은 항상 같습니다. 두 고체 공 사이의 거리가 1일 때, 두 고체 공에 작용하는 전기력은 1입니다. 두 고체 공 사이의 거리가 2일 때, 두 고체 공에 작용하는 전기력은 ¼입니다. 쿨롱은 두 고체 공에 작용하는 전기력의 크기가 거리의 제곱에 반비례한다는 결론을 내렸습니다(F ≈ 1/r).²)

쿨롱의 법칙

쿨롱의 법칙은 전기력, 전하, 그리고 전하 사이의 거리 사이의 관계를 설명하는 물리 법칙입니다. 이 법칙은 이전 글에서 설명했듯이 쿨롱의 실험을 바탕으로 정립되었습니다.

쿨롱의 법칙 전기력의 법칙에 따르면, 대전된 입자가 다른 대전된 입자에 작용하는 힘의 크기는 두 입자의 전하량의 합의 곱에 비례하고, 두 입자 사이 거리의 제곱에 반비례합니다. 이 힘은 두 입자를 잇는 직선 방향으로 작용합니다. 두 입자의 전하량이 같으면 전기력은 척력이고, 두 입자의 전하량이 다르면 전기력은 인력입니다.

쿨롱 법칙은 다음과 같은 수학 방정식으로 표현할 수 있습니다.
공식 설명:
F₁₂ = 입자 1과 입자 2 사이의 전기력
q₁ = 입자 전하 수 1
q₂ = 입자 2의 전하량
r₁₂ = 입자 1과 입자 2 사이의 거리
(읽기: 엡실론 0) = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = (쿨롱 상수) = 9 x 10⁹ Nm²/C²
F₂₁ 는 전하 q에 의해 가해지는 힘입니다.₂ 전하 q에서₁반면 F₁₂ 는 전하 q에 의해 가해지는 힘입니다.₁ 전하 q에서₂. 에프₂₁ 그리고 F₁₂ 전하가 q일 때 서로 반발합니다.₁ 그리고 q₂ 전하가 q일 때 서로 유사하고 서로 끌어당깁니다.₁ 그리고 q₂ 같은 유형이 아닙니다.
F₂₁ 그리고 F₁₂ 크기는 같고 방향은 반대이며 서로 다른 물체에 작용하므로 이 두 힘은 작용-반작용력 쌍입니다.